دانشمندان دانشگاه لایدن با استفاده از گرافن و پدیده تونل‌زنی کوانتومی، روشی جدید برای توالی‌یابی DNA ابداع کرده‌اند که می‌تواند سریع‌تر، ارزان‌تر و دقیق‌تر از روش‌های فعلی عمل کند. با استفاده از نتایج این پروژه می‌توان در هرجایی نظیر فرودگاه‌ها آزمایش روی نمونه‌های زیستی را انجام داد.
تشخیص سریع حیوانات و گیاهان در حال انقراض در فرودگاه‌ها با توالی‌یابی DNA
گروهی از دانشمندان دانشگاه لایدن در هلند موفق به توسعه روشی نوین برای توالی‌یابی DNA شده‌اند که از گرافن، ماده‌ای با ضخامت تنها یک اتم، استفاده می‌کند. این روش می‌تواند انقلابی در زمینه توالی‌یابی DNA ایجاد کند و آن را سریع‌تر، ارزان‌تر و دقیق‌تر از روش‌های کنونی سازد. این پروژه تحقیقاتی که با حمایت مالی ۱.۲ میلیون یورویی شورای تحقیقات هلند (NWO) در حال انجام است، بر پایه کشفیات پیشین همین تیم در زمینه پدیده تونل‌زنی کوانتومی بین دو لایه گرافن بنا شده است.
در تحقیقات قبلی، این گروه تحقیقاتی به سرپرستی شیمیدان گرگوری اشنایدر و فیزیکدان یان فن روتنبیک، موفق شدند جریان الکتریکی را بین دو لایه گرافن که هر کدام تنها یک اتم ضخامت دارند، به وجود آورند. با نزدیک کردن این دو لایه در زاویه‌ای خاص، پدیده تونل‌زنی کوانتومی رخ داد. این پدیده که در مکانیک کوانتومی شناخته شده است، به الکترون‌ها اجازه می‌دهد بدون تماس مستقیم بین دو ماده، از یکی به دیگری جهش کنند. اشنایدر چنین توضیح می‌دهد: « اگر دو لایه گرافن کمی از هم جدا شوند، تونل‌زنی متوقف می‌شود. مگر اینکه یک شیء کوچک، مانند یک مولکول، بین دو لایه قرار گیرد. در این صورت، تونل‌زنی فعال می‌شود و ویژگی‌های مولکول قابل شناسایی خواهد بود.»
این روش توالی‌یابی DNA که به دنبال تعیین ترتیب نوکلئوتیدها در DNA است، به ویژگی‌های الکترونیکی نوکلئوتیدها حساس است. روتنبیک می‌گوید: «DNA از چهار نوکلئوتید تشکیل شده که به اختصار با حروف ACGT نشان داده می‌شوند. اگر یک رشته DNA از بین دو لایه گرافن عبور کند، ما فکر می‌کنیم این روش به ما امکان می‌دهد هر نوکلئوتید را بر اساس شدت جریان در لحظه عبور آن شناسایی کنیم. این فرآیند به توالی‌یابی DNA منجر خواهد شد.»
این روش جدید می‌تواند دقیق‌تر از سایر روش‌های توالی‌یابی DNA عمل کند. یکی از روش‌های رایج توالی‌یابی DNA از نانوحفره‌ها استفاده می‌کند که تنها به تفاوت‌های اندازه بین بلوک‌های سازنده مولکول حساس است. اگر دو بلوک سازنده با اندازه یکسان اما ترکیب شیمیایی متفاوت هم‌زمان از نقطه اندازه‌گیری عبور کنند، سیگنال یکسانی تولید می‌کنند. اشنایدر می‌گوید: «ما انتظار داریم با روش تونل‌زنی خود بتوانیم سیگنال‌های متفاوتی را اندازه‌گیری کنیم.»
دانشمندان دانشگاه لایدن ایده‌های خلاقانه‌ای برای عبور مولکول‌ها از بین لایه‌های گرافن دارند. آن‌ها همچنین می‌خواهند نشان دهند که می‌توانند بین چهار نوکلئوتید در تحلیل‌های خود تمایز قائل شوند. بودجه اختصاص‌یافته به آن‌ها کمک خواهد کرد تا به این اهداف دست یابند.
این گروه انتظار دارد که این روش دقیق‌تر از سایر روش‌ها باشد و به طیف وسیع‌تری از محققان و متخصصان اجازه دهد از آن برای توالی‌یابی DNA و تشخیص مولکول‌های منفرد به طور کلی استفاده کنند. برای مثال، این روش می‌تواند در تحقیقات مربوط به بیماری‌های مختلف به کار رود. اما فراتر از حوزه پزشکی، گمرک فرودگاه‌ها نیز به این فناوری علاقه‌مند شده‌اند. آن‌ها می‌توانند از این روش برای تشخیص سریع حمل حیوانات یا گیاهان در معرض خطر انقراض استفاده کنند. همچنین، این روش می‌تواند برای تشخیص مولکول‌های خاص در محفظه‌های حمل مواد غذایی به کار رود و به سرعت وجود گازهایی که باعث فساد سریع مواد غذایی می‌شوند را شناسایی کند. اشنایدر می‌گوید: «می‌توان از این روش در هر جایی که نیاز به تشخیص یک مولکول خاص در غلظت بسیار پایین، حتی در حد یک مولکول منفرد، وجود دارد، استفاده کرد.»
